2.4.2. Поняття про діаграми стану

Діаграмою стану називають графічне зображення стану сплавів залежно від їх хімічного складу й температури.

Будують діаграми в умовах, максимально близьких до рів­новажних. Рівноважний стан характеризується мінімальною ві­льною енергією і виникає під час дуже повільного охолодження або нагрівання. Відхід від рівноважних умов зумовлює нагро­мадження у сплаві надлишку вільної енергії і водночас певні зміни у його структурі.

Діаграми стану несуть цінну інформацію про температуру плавлення (кристалізації) і про наявність або відсутність струк­турних перетворень у твердому стані. Діаграми знаходять широ­ке практичне застосування у промисловості (ливарне вироб­ництво, гаряча обробка металів тиском, зварювальне вироб-

ництво, термічна та хіміко-термічна обробки, обґрунтування вибору того чи іншого сплаву для конкретних умов експлуата­ції тощо).

2.4.3. Правило фаз

Правило фаз виражає залежність між кількістю ступенів вільності С, компонентів К і фаз Ф, що перебувають у рівнова­зі, й у загальному вигляді описується рівнянням:

С = К + 2 — Ф , (2.4.2)

де 2 — кількість зовнішніх змінних параметрів (температура й тиск).

Фазою називають однорідну (гомогенну) частину сплаву, яка має певний хімічний склад, кристалічну будову (виняток ста­новить рідкий стан) і властивості. В металевих сплавах фазами можуть бути хімічні елементи, тверді й рідкі розчини на їх основі та хімічні сполуки.

Система — це будь-яка речовина, що складається із компо­нента або сплаву заданого складу, чи сукупності нескінченно великої кількості сплавів, утворених певними компонентами. Система характеризується температурою і масовими частками компонентів.

Компонент системи — це речовина, що утворює сплав. До ком­понентів належать хімічні елементи або стійкі хімічні сполуки.

Ступінь вільності — кількість незалежних один від одного ви­значальних факторів рівноваги (концентрація, температура, тиск), які можна змінювати в певних межах без зміни кількості фаз.

Оскільки зміни атмосферного тиску практично не вплива­ють на фазову рівновагу металевих сплавів, то одним із двох зовнішніх факторів (тиском) можна знехтувати й тоді рівняння (2.4.2) набуває такого вигляду:

С = К + 1 — Ф . (2.4.3)

Залежно від того, як взаємодіють між собою компоненти в рідкому та твердому станах і які структури вони при цьому утворюють, розрізняють різні типи діаграм. Найпоширеніші з них розглянемо нижче.

117

2.4.4. Діаграма стану сплавів, компоненти яких утворюють необмежені тверді розчини

Діаграми стану сплавів з необмеженими твердими роз­чинами утворюють компоненти, які розчиняються необмежено і в рідкому, і в твердому стані. Необмежена розчинність компо­нентів у твердому стані забезпечується виконанням умов Юма-Розері (див. п. 2.4.1). Система Cu — Ni є прикладом діаграми стану сплавів, які утворюють необмежені тверді розчини. Ком­поненти системи: Купрум і Нікол. Фази системи: рідкий роз­чин Р та а-твердий розчин.

Розглянемо методику побудови діаграми стану сплавів на прикладі системи Cu — Ni. Побудову виконаємо у такій послідов­ності. Спочатку нарисуємо у вибраному масштабі систему коор­динат, відклавши на осі ординат температуру t (рис. 2.4.5, б) і на осі абсцис — зміну в сплаві концентрації одного з компо­нентів, наприклад, Ni. Очевидно, що початок осі абсцис відпо­відає 100 % Cu (0 % Ni), а її кінець — 100 % Ni. Згодом за

експериментальними даними, отриманими в рівноважних умо­вах, нарисуємо в координатах температура t — час т криві охо­лодження Cu (рис. 2.4.5, а), Ni (рис. 2.4.5, в) та декількох їх сплавів різної концентрації (рис. 2.4.5, а, в). Температурні го­ризонтальні ділянки А' —А" і В' — В" на кривих охолодження чистих металів і точки перетину Г, 2', З', 4', 5', 6' на кривих охолодження сплавів є критичними температурами, в межах яких відбувається процес кристалізації, що супроводжується виділенням теплоти. Отже, кристалізація починається в точ­ках А', Г, З', 5', В' й закінчується в точках А", 2', 4', 6', В". Вище і нижче зазначених точок маємо відповідно рідкий Р і твердий а розчини, а між ними — обидва названі розчини.

Числові значення критичних температур перенесемо на від­повідні вертикальні лінії концентрації ІГ,(0 % Ni), K₂(25 % Ni), #₃(50 % Ni), Я₄(75 % Ni), -ff₅(100 % Ni) (див. точки А, 1,2,3, 4, 5, 6, В на рис. 2.4.5, б). З'єднавши плавною кривою точки А, 1, З, 5, В, отримаємо лінію початку кристалізації, або лінію лікві­дує, і з'єднавши точки А, 2, 4, 6, В, отримаємо лінію кінця кристалізації, або лінію солідус. Очевидно, що вище лінії лікві­дує маємо фазу Р, нижче лінії солідус — фазу а, а між цими лініями — Р + а.